礁灰?guī)r裂縫充填超輕顆粒用攜砂液技術(shù)研究

單彥魁，魏裕森，耿學(xué)禮，張自印，蘇延輝，鄭曉斌，史斌

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司 深圳分公司，廣東深圳 518067；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300451）

生物礁灰?guī)r儲(chǔ)層油藏地質(zhì)情況復(fù)雜，非均質(zhì)性較強(qiáng)，裂縫較為發(fā)育。南海東部的LH油田位于珠江口盆地東沙隆起，新近系中新統(tǒng)珠江組是典型的生物礁灰?guī)r儲(chǔ)層。礁灰?guī)r儲(chǔ)層內(nèi)部孔隙較為發(fā)育，存在較多的溶洞、裂縫，連通性較好，裂縫寬度一般為0.012～0.020 mm。該油田為底水驅(qū)動(dòng)的油藏，隨著開(kāi)發(fā)年限的增加，目前油田產(chǎn)出液中含水率已達(dá)到90%以上，油藏水淹嚴(yán)重。該油田曾嘗試側(cè)鉆新井眼、化學(xué)籠統(tǒng)堵水、管外封隔器+ICD篩管、連續(xù)封隔體+ICD篩管等控水方式，其中連續(xù)封隔體+ICD篩管的控水方式取得的效果較為明顯，其余控水方式在成本和控水效果上均不占優(yōu)勢(shì)[1-4]。

連續(xù)封隔體是一種體積密度與水接近的超輕顆粒，具有充填效率高的特點(diǎn)，在充填層環(huán)空可形成連續(xù)阻水層，起到軸向精細(xì)化分段控水的目的。利用超輕顆粒充填效率高和生物礁灰?guī)r儲(chǔ)層裂縫發(fā)育的特點(diǎn)，可將超輕顆粒攜帶進(jìn)入儲(chǔ)層裂縫深部，起到在儲(chǔ)層深部均衡油水推進(jìn)速度的作用，從而實(shí)現(xiàn)控水充填層向儲(chǔ)層深部推進(jìn)，達(dá)到多重模式控水。礁灰?guī)r儲(chǔ)層與一般裂縫性?xún)?chǔ)層的區(qū)別為存在裂縫的同時(shí)還連通一定數(shù)量的孔洞，在實(shí)際施工時(shí)，可利用微壓裂的方式，將裂縫開(kāi)度壓大、壓通，從而為超輕顆粒的充填提供通道，這要求攜砂液體系在流速一定時(shí)具有一定的攜砂能力，當(dāng)遇到裂縫寬度變小、流速降低后，超輕顆粒實(shí)現(xiàn)自然沉降，從而達(dá)到有效充填[5-8]。

本文在對(duì)常見(jiàn)超輕顆粒的密度評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，通過(guò)助排、分散一體劑的優(yōu)選，研究了一套適合在裂縫中充填超輕顆粒的攜砂液體系，并對(duì)該攜砂液體系的沉降和懸砂性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 攜砂液的研發(fā)思路

攜砂液若要起到對(duì)地層流體滲流的調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)在礁灰?guī)r儲(chǔ)層裂縫中充填超輕顆粒，需將超輕顆粒帶向裂縫的深部，并且在裂縫中實(shí)現(xiàn)最大充填效率，進(jìn)而將控水措施向儲(chǔ)層深部推進(jìn)。

一般的超輕顆粒視密度低（1.05 g/cm3左右，與水密度接近），在清水中稍有攪動(dòng)即可呈懸浮狀態(tài)。因此，清水在較低的排量下即可將超輕顆粒攜帶至井筒、地層中指定位置。海上油田超輕顆粒的充填液一般選擇海水，對(duì)攜砂液黏度要求不高，因此攜砂液基液選擇過(guò)濾海水。此外，攜砂液體系在實(shí)現(xiàn)攜帶超輕顆粒充填后，還需要具有良好的返排性能，需要體系中加入一定量的助排劑[9-12]。同時(shí)，超輕顆粒的有機(jī)質(zhì)特征和部分超輕顆粒的油水選擇性特征會(huì)導(dǎo)致常規(guī)的海水基攜砂液對(duì)其不能分散，需要加入一定的表面活性劑對(duì)其進(jìn)行分散[13-15]。

因此，以海水為基液，對(duì)助排、分散一體劑進(jìn)行優(yōu)選，可形成適合礁灰?guī)r儲(chǔ)層裂縫充填的攜砂液體系。

2 常見(jiàn)超輕顆粒密度

常用的超輕顆粒目數(shù)一般為40～70目，礁灰?guī)r儲(chǔ)層原始裂縫寬度比超輕顆粒小，需使用攜砂液攜帶超輕顆粒壓開(kāi)儲(chǔ)層原始裂縫以擠壓充填的方式充填顆粒。攜砂液對(duì)顆粒的攜帶能力受顆粒密度影響較大，需要首先測(cè)試超輕顆粒的密度。

參照SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法》中對(duì)密度的測(cè)試方法，對(duì)市場(chǎng)上常見(jiàn)的超輕顆粒的體積密度和視密度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)超輕顆粒的體積密度和視密度 g/cm3

由表1可知，常見(jiàn)超輕顆粒的體積密度均較低，在0.630 g/cm3左右；視密度在1.05 g/cm3左右，與海水的密度接近，只需較小的擾動(dòng)力便可將顆粒懸浮在海水中，從而將超輕顆粒攜帶至所需位置。因此，以海水作為攜砂液的基液是可行的。

3 攜砂液體系助排性能研究

3.1 助排劑種類(lèi)

以LH油田海域的海水為基液，分別加入4種表面活性劑，采用SY/T 5370-2018《表面及界面張力測(cè)定方法》測(cè)試表面活性劑的表面張力和界面張力，結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方為：海水（LH油田海域）+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.500%表面活性劑。

表2 表面活性劑的表面張力和界面張力測(cè)試結(jié)果

由表2可知，表面活性劑C的表面張力和界面張力最低，效果最好，數(shù)值分別為24.31 mN/m和0.122 mN/m。因此，選擇表面活性劑C作為攜砂液體系的助排劑。

3.2 助排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

對(duì)表面活性劑C的表面張力、界面張力進(jìn)一步研究，通過(guò)測(cè)定其表面張力和界面張力的膠束濃度，以確定最優(yōu)的表面活性劑C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)方法同3.1中的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方為：海水（LH油田海域）+表面活性劑C。

表3 表面活性劑C膠束濃度優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，當(dāng)表面活性劑C質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于0.100%時(shí)，隨著表面活性劑C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，表面張力和界面張力明顯下降；當(dāng)表面活性劑C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.100%時(shí)，表面張力和界面張力變化不大。因此，表面活性劑C的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.100%。

3.3 分散性能研究

超輕顆粒的基質(zhì)材料一般為有機(jī)質(zhì)材料，在水中的分散狀態(tài)較差，尤其對(duì)于一些具有油水選擇性的顆粒，其具有一定的親油疏水特性，普通的海水或清水不能分散這類(lèi)顆粒，需要攜砂液體系中添加一定的分散劑。表面活性劑一般具有親油親水特性，可以起到懸浮、分散超輕顆粒的作用。助排劑表面活性劑C為一種表面活性劑，可通過(guò)對(duì)超輕顆粒進(jìn)行分散實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其是否具有分散和助排的雙重作用。

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的超輕顆粒分別加入過(guò)濾海水、攜砂液體系中，攪拌均勻，觀察超輕顆粒在兩種液體中的分散狀態(tài)，結(jié)果見(jiàn)圖1。攜砂液體系配方：過(guò)濾海水+超輕顆粒；過(guò)濾海水+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.100%羧酸酯磺酸鹽+超輕顆粒。

圖1 超輕顆粒在不同液體中的分散狀態(tài)

從圖1可以看出，超輕顆粒在過(guò)濾海水中分散不均勻，顆粒間有聚團(tuán)現(xiàn)象；超輕顆粒在攜砂液體系中分散均勻，無(wú)聚團(tuán)現(xiàn)象，攜砂液對(duì)超輕顆粒的分散性能良好。因此，表面活性劑C可以起到助排和分散的雙重作用。

4 攜砂液體系性能評(píng)價(jià)

4.1 顆粒在攜砂液中的沉降速度測(cè)試

參照SY/T 5185-2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評(píng)價(jià)方法》，對(duì)比超輕顆粒（40～70目）和普通陶粒（40～70目）在攜砂液中的沉降速度。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方：過(guò)濾海水+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.100%的表面活性劑C。實(shí)驗(yàn)方法：30℃恒溫下，取一粒顆粒放入攜砂液面下2 cm處，使其自然沉降，記錄顆粒沉降30 cm所需時(shí)間，重復(fù)測(cè)定3次，計(jì)算顆粒的沉降速度，計(jì)算公式見(jiàn)式（1），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 顆粒沉降速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

式中，v為顆粒沉降速度，cm/s；L為沉降高度，cm；t為沉降時(shí)間，s。

由表4可知，超輕顆粒在攜砂液中的平均沉降速度為0.35 cm/s，比普通陶粒的0.58 cm/s降低幅度較大。這說(shuō)明超輕顆粒被攜砂液的攜帶能力較強(qiáng)，但仍可沉降，可滿(mǎn)足裂縫充填中既需要攜帶又需要沉降的需求。

4.2 攜砂液懸砂能力測(cè)定

參照SY/T 5185-2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評(píng)價(jià)方法》，測(cè)試攜砂液對(duì)超輕顆粒和普通陶粒的懸砂能力。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方：過(guò)濾海水+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.100%的表面活性劑C。實(shí)驗(yàn)方法：在攪拌狀態(tài)下，保持?jǐn)y砂液所形成的漩渦中可見(jiàn)攪拌器槳葉中軸頂端（如圖2所示），恒速轉(zhuǎn)動(dòng)后，分別加入超輕顆粒（砂比為10%、20%、30%、50%）和普通陶粒（砂比為10%），攪拌5 min后停止。把混合后的攜砂液迅速倒入量筒中，觀察混砂均勻程度和懸砂效果，記錄顆粒全部沉降至容器底部所需時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表5。圖3為超輕顆粒懸浮效果。

圖2 顆粒恒速攪拌示意圖

由表5和圖3可知，砂比為10%的普通陶粒在攪拌停止后，立即發(fā)生沉降現(xiàn)象，基本無(wú)沉降時(shí)間，說(shuō)明現(xiàn)有的攜砂液對(duì)其懸砂能力較弱；攜砂液對(duì)不同砂比的超輕顆粒的懸砂能力較好，沉降時(shí)間均在270 s以上，攜砂液對(duì)超輕顆粒具有較好的懸砂性能。

表5 攜砂液懸砂能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 超輕顆粒懸浮效果

5 結(jié)論

（1）結(jié)合LH油田礁灰?guī)r儲(chǔ)層的特點(diǎn)和儲(chǔ)層裂縫充填超輕顆粒的技術(shù)需求，研究了一套適用于裂縫性油藏充填超輕顆粒的攜砂液體系，體系配方為：過(guò)濾海水+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.100%表面活性劑C。

（2）所研發(fā)的攜砂液體系具有一定的助排性能和對(duì)超輕顆粒的分散能力，測(cè)試超輕顆粒在攜砂液中的沉降速度和懸浮性能表明，該攜砂液體系在一定流速時(shí)可對(duì)超輕顆粒有效攜帶，當(dāng)流速降低或消失時(shí)，超輕顆?？蓪?shí)現(xiàn)沉降充填。

（3）研究的攜砂液體系簡(jiǎn)易實(shí)用，可在類(lèi)似裂縫型儲(chǔ)層充填超輕顆粒的施工中應(yīng)用。